行業(yè)資訊
地源熱泵地埋管設計
（一）管材選擇及流體介質(zhì)
一、管材
一般來講，一旦將地下埋管系統(tǒng)換熱器埋入地下后，基本不可能進行維修或更換，因此地下的管材應首先要保證其具有良好的化學穩(wěn)定性、耐腐性。
1、聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）在國外地源熱泵系統(tǒng)中得到了廣泛應用。
2、PVC（聚氯乙烯）管的導熱性差和可塑性不好，不易彎曲，接頭處耐壓能力差，容易導致泄漏，因此在地源熱泵系統(tǒng)中不推薦用PVC 管。
3、為了強化地下埋管的換熱，國外有的提出采用薄壁（0.5mm）的不銹鋼鋼管，但目前實際應用不多。
4、管件公稱壓力不得小于1.0Mpa，工作溫度應在-20℃～50℃范圍內(nèi)。
5、地埋管壁厚宜按外徑與壁厚之比為11倍選擇。
6、地埋管應能按設計要求長度成捆供應，中間不得有機械接口及金屬接頭。
二、連接
1、熱熔聯(lián)接（承接聯(lián)接和對接聯(lián)接，對于小管徑常采用）
2、電熔聯(lián)結
三、流體介質(zhì)及回填料
流體介質(zhì)
南方地區(qū)：由于地溫高，冬季地下埋管進水溫度在0℃以上，因此多采用水作為工作流體；
北方地區(qū)：冬季地溫低，地下埋管進水溫度一般均低于0℃，因此一般均需使用防凍液。
（①鹽類溶液——氯化鈣和氯化鈉水溶液；②乙二醇水溶液；③酒精水溶液等）。
埋管水溫：
1、熱泵機組夏季向末端系統(tǒng)供冷水，設計供回水溫度為7—12℃，與普通冷水機組相同。地埋管中循環(huán)水進入U管的最高溫度應<37℃，與冷卻塔進水溫度相同。
2、熱泵機組冬季向末端系統(tǒng)供水溫度與常規(guī)空調(diào)不同，在滿足供熱條件下，應盡量減低供熱水溫度，這樣可改善熱泵機組運行工況、減小壓縮比、提高cop值，并降低能耗。 地埋管中循環(huán)水冬季進水溫度，以水不凍結并留安全余地為好，可取3—4℃。
當然為了使地埋管換熱器獲得更多熱量，可加大循環(huán)水與大地間溫差傳熱，然而大地的溫度是不變的，因此只有將循環(huán)水溫降至0℃以下，為此循環(huán)水必須使用防凍液，如乙二醇溶液或食鹽水。但這樣會提高工程造價、增加對設備的腐蝕。在嚴寒地區(qū)不得不這樣做，而在華北地區(qū)的工程中用水就可滿足要求，不一定要加防凍液。
地溫是恒定值，可通過測井實測。有關資料介紹某地地下約100米的地溫是當?shù)啬昶骄鶜鉁丶?℃左右。天津市年平均氣溫是12.2℃，實測天津市地下約100米的地溫約為16℃，基本符合以上規(guī)律。
回填材料
可以選用澆鑄混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料選擇要兼顧工程造價、傳熱性能、施工方便等因素。從實際測試比較澆鑄混凝土換熱性能最好，但造價高、施工難度大，但可結合建筑物樁基一起施工。回填沙石或碎石換熱效果比較好，而且施工容易、造價低，可廣泛采用。
（二）埋管系統(tǒng)環(huán)路
一、埋管方式
1、水平埋管
水平埋管主要有單溝單管、單溝雙管、單溝二層雙管、單溝二層四管、單溝二層六管等形式，由于多層埋管的下層管處于一個較穩(wěn)定的溫度場，換熱效率好于單層，而且占地面積較少，因此應用多層管的較多。（單層管最佳深度1.2～2.0m，雙層管1.6～2.4m）
近年來國外又新開發(fā)了兩種水平埋管形式，一種是扁平曲線狀管，另一種是螺旋狀管。它們的優(yōu)點是使地溝長度縮短，而可埋設的管子長度增加。
2 、垂直埋管
根據(jù)埋管形式的不同，一般有單U 形管，雙U 形管，套管式管，小直徑螺旋盤管和大直徑螺旋盤管，立式柱狀管、蜘蛛狀管等形式；按埋設深度不同分為淺埋（≤30m）、中埋（31～80m）和深埋（>80m）。
1）U 形管型：是在鉆孔的管井內(nèi)安裝U 形管，一般管井直徑為100～150mm，井深10~200m，U 形管徑一般在φ50mm 以下。
2）套管式換熱器：的外管直徑一般為100～200mm，內(nèi)管為φ15～φ25ｍｍ。其換熱效率較U 形管提高16.7%。缺點：⑴下管比較困難，初投資比U 形管高。⑵在套管端部與內(nèi)管進、出水連接處不好處理，易泄漏，因此適用于深度≤30m 的豎埋直管，對中埋采用此種形式宜慎重。
二、地下埋管系統(tǒng)環(huán)路方式
1、串聯(lián)方式
優(yōu)點：①一個回路具有單一流通通路，管內(nèi)積存的空氣容易排出；
②串聯(lián)方式一般需采用較大直徑的管子，因此對于單位長度埋管換熱量來講，串聯(lián)方式換熱性能略高
缺點：①串聯(lián)方式需采用較大管徑的管子，因而成本較高；
②由于系統(tǒng)管徑大，在冬季氣溫低地區(qū)，系統(tǒng)內(nèi)需充注的防凍液（如乙醇水溶液）多；
③安裝勞動成本增大；
④管路系統(tǒng)不能太長，否則系統(tǒng)阻力損失太大。
2、并聯(lián)方式
優(yōu)點：①由于可用較小管徑的管子，因此成本較串聯(lián)方式低；
②所需防凍液少；
③安裝勞動成本低。
缺點： ①設計安裝中必須特別注意確保管內(nèi)流體流速較高，以充分排出空氣；
②各并聯(lián)管道的長度盡量一致（偏差應≤10%），以保證每個并聯(lián)回路有相同的流量；
③確保每個并聯(lián)回路的進口與出口有相同的壓力，使用較大管徑的管子做集箱，可達到此目的。
從國內(nèi)外工程實踐來看，中、深埋管采用并聯(lián)方式者居多；淺埋管采用串聯(lián)方式的多種。
三、地埋管打孔孔徑
孔徑： 根據(jù)地質(zhì)結構不同，鉆孔孔徑可以是Ф100、Ф150、Ф200或Ф300，天津地區(qū)地表土壤層很厚，為了鉆孔、下管方便多采用Ф300孔徑。
（三）地下埋管系統(tǒng)設計
一．地下?lián)Q熱量計算
地下?lián)Q熱量可以由下述公式計算：
Q1'= Q1*(1+1/COP1) kW （1）
Q2'= Q2*(1-1/COP2) kW （2）
其中Q1'——夏季向土壤排放的熱量，kW
Q1——夏季設計總冷負荷，kW
Q2'——冬季從土壤吸收的熱量，kW
Q2——冬季設計總熱負荷，kW
COP1——設計工況下水源熱泵機組的制冷系數(shù)
COP2——設計工況下水源熱泵機組的供熱系數(shù)
一般地，水源熱泵機組的產(chǎn)品樣本中都給出不同進出水溫度下的制冷量、制熱量以及制冷系數(shù)、供熱系數(shù)，計算時應從樣本中選用設計工況下的 。若樣本中無所需的設計工況，可以采用插值法計算。
二、地下熱交換設計
1.水平埋管：
確定管溝數(shù)目:
埋管管長的估算：利用管材“換熱能力”，即單位埋管管長的換熱量。水平埋管單位管材“換熱能力”在20～40W/m（管長）左右，；設計時可取換熱能力的下限值，即20 W/m。
單溝單管埋管總長具體計算公式如下：L=Q/20
其中L ——埋管總長,m
Q ——冬季從土壤取出的熱量，w
分母“20”是每m 管長冬季從土壤取出的熱量，W/m
單溝雙管、單溝二層雙管、單溝二層四管、單溝二層六管布置時分別乘上0.9、0.85、0.75、0.70 的熱干擾系數(shù)（熱協(xié)調(diào)系數(shù)）。
確定管溝間距：
為了防止埋管間的熱干擾，必須保證埋管之間有一定的間距。該間距的大小與運行狀況（如連續(xù)運行還是間歇運行；間歇運行的開、停機比等）、埋管的布置形式（如單行布置，只有兩邊有熱干擾；多排布置，四面均有熱干擾）等等有關。
建議串聯(lián)每溝1 管，管徑1/4“～2”；串聯(lián)每溝2 管， 1 又1/4“～1 又1/2”。并聯(lián)每溝2 管， 1“～1 又1/4”；并聯(lián)每溝4～6 管，管徑13/4“～1”。
管溝間距：每溝1 管的間距1.2m，每溝2 管的間距1.8m，每溝4 管間距3.6m。管溝內(nèi)最上面管子的管頂?shù)降孛娴牡淖钚「叨炔恍∮?.2m。
2、豎直埋管
確定豎井埋管管長
一般垂直單U 形管埋管的換熱能力為60～80 W/m(井深)，垂直雙U 形管為80～100W/m(井深)左右，設計時可取換熱能力的下限值。
一般垂直埋管為70～110W/m(井深)，或35～55W/m(管長)，水平埋管為20～40W/m（管長）左右。
設計時可取換熱能力的下限值，即35W/m（管長），雙U管設計具體計算公式如下：
L=Q1/25 （3）
其中 L——豎井埋管總長，m
Q1——夏季向土壤排放的熱量，W
分母“35”是夏季每m管長散熱量，W/m
確定豎井數(shù)目及間距
國外，豎井深度多數(shù)采用50～100m，設計者可以在此范圍內(nèi)選擇一個豎井深度H，代入下式計算豎井數(shù)目:
N=L/(4*H) （4）
其中 N——豎井總數(shù)，個
L——豎井埋管總長，m
H——豎井深度，m
分母“2”是考慮到豎井內(nèi)埋管管長約等于豎井深度的2倍。
然后對計算結果進行圓整，若計算結果偏大，可以增加豎井深度，但不能太深，否則鉆孔和安裝成本大大增加。
關于豎井間距有資料指出：U型管豎井的水平間距一般為4.5m，也有實例中提到DN25的U型管，其豎井水平間距為6m，而DN20的U型管，其豎井水平間距為3m。若采用串聯(lián)連接方式，可采用三角形布置來節(jié)約占地面積。
工程較小，埋管單排布置，地源熱泵間歇運行，埋管間距可取3.0m；工程較大，埋管多排布置，地源熱泵間歇運行，建議取間距4.5m；若連續(xù)運行（或停機時間較少）建議取5～6m
一、管材
一般來講，一旦將地下埋管系統(tǒng)換熱器埋入地下后，基本不可能進行維修或更換，因此地下的管材應首先要保證其具有良好的化學穩(wěn)定性、耐腐性。
1、聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）在國外地源熱泵系統(tǒng)中得到了廣泛應用。
2、PVC（聚氯乙烯）管的導熱性差和可塑性不好，不易彎曲，接頭處耐壓能力差，容易導致泄漏，因此在地源熱泵系統(tǒng)中不推薦用PVC 管。
3、為了強化地下埋管的換熱，國外有的提出采用薄壁（0.5mm）的不銹鋼鋼管，但目前實際應用不多。
4、管件公稱壓力不得小于1.0Mpa，工作溫度應在-20℃～50℃范圍內(nèi)。
5、地埋管壁厚宜按外徑與壁厚之比為11倍選擇。
6、地埋管應能按設計要求長度成捆供應，中間不得有機械接口及金屬接頭。
二、連接
1、熱熔聯(lián)接（承接聯(lián)接和對接聯(lián)接，對于小管徑常采用）
2、電熔聯(lián)結
三、流體介質(zhì)及回填料
流體介質(zhì)
南方地區(qū)：由于地溫高，冬季地下埋管進水溫度在0℃以上，因此多采用水作為工作流體；
北方地區(qū)：冬季地溫低，地下埋管進水溫度一般均低于0℃，因此一般均需使用防凍液。
（①鹽類溶液——氯化鈣和氯化鈉水溶液；②乙二醇水溶液；③酒精水溶液等）。
埋管水溫：
1、熱泵機組夏季向末端系統(tǒng)供冷水，設計供回水溫度為7—12℃，與普通冷水機組相同。地埋管中循環(huán)水進入U管的最高溫度應<37℃，與冷卻塔進水溫度相同。
2、熱泵機組冬季向末端系統(tǒng)供水溫度與常規(guī)空調(diào)不同，在滿足供熱條件下，應盡量減低供熱水溫度，這樣可改善熱泵機組運行工況、減小壓縮比、提高cop值，并降低能耗。 地埋管中循環(huán)水冬季進水溫度，以水不凍結并留安全余地為好，可取3—4℃。
當然為了使地埋管換熱器獲得更多熱量，可加大循環(huán)水與大地間溫差傳熱，然而大地的溫度是不變的，因此只有將循環(huán)水溫降至0℃以下，為此循環(huán)水必須使用防凍液，如乙二醇溶液或食鹽水。但這樣會提高工程造價、增加對設備的腐蝕。在嚴寒地區(qū)不得不這樣做，而在華北地區(qū)的工程中用水就可滿足要求，不一定要加防凍液。
地溫是恒定值，可通過測井實測。有關資料介紹某地地下約100米的地溫是當?shù)啬昶骄鶜鉁丶?℃左右。天津市年平均氣溫是12.2℃，實測天津市地下約100米的地溫約為16℃，基本符合以上規(guī)律。
回填材料
可以選用澆鑄混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料選擇要兼顧工程造價、傳熱性能、施工方便等因素。從實際測試比較澆鑄混凝土換熱性能最好，但造價高、施工難度大，但可結合建筑物樁基一起施工。回填沙石或碎石換熱效果比較好，而且施工容易、造價低，可廣泛采用。
（二）埋管系統(tǒng)環(huán)路
一、埋管方式
1、水平埋管
水平埋管主要有單溝單管、單溝雙管、單溝二層雙管、單溝二層四管、單溝二層六管等形式，由于多層埋管的下層管處于一個較穩(wěn)定的溫度場，換熱效率好于單層，而且占地面積較少，因此應用多層管的較多。（單層管最佳深度1.2～2.0m，雙層管1.6～2.4m）
近年來國外又新開發(fā)了兩種水平埋管形式，一種是扁平曲線狀管，另一種是螺旋狀管。它們的優(yōu)點是使地溝長度縮短，而可埋設的管子長度增加。
2 、垂直埋管
根據(jù)埋管形式的不同，一般有單U 形管，雙U 形管，套管式管，小直徑螺旋盤管和大直徑螺旋盤管，立式柱狀管、蜘蛛狀管等形式；按埋設深度不同分為淺埋（≤30m）、中埋（31～80m）和深埋（>80m）。
1）U 形管型：是在鉆孔的管井內(nèi)安裝U 形管，一般管井直徑為100～150mm，井深10~200m，U 形管徑一般在φ50mm 以下。
2）套管式換熱器：的外管直徑一般為100～200mm，內(nèi)管為φ15～φ25ｍｍ。其換熱效率較U 形管提高16.7%。缺點：⑴下管比較困難，初投資比U 形管高。⑵在套管端部與內(nèi)管進、出水連接處不好處理，易泄漏，因此適用于深度≤30m 的豎埋直管，對中埋采用此種形式宜慎重。
二、地下埋管系統(tǒng)環(huán)路方式
1、串聯(lián)方式
優(yōu)點：①一個回路具有單一流通通路，管內(nèi)積存的空氣容易排出；
②串聯(lián)方式一般需采用較大直徑的管子，因此對于單位長度埋管換熱量來講，串聯(lián)方式換熱性能略高
缺點：①串聯(lián)方式需采用較大管徑的管子，因而成本較高；
②由于系統(tǒng)管徑大，在冬季氣溫低地區(qū)，系統(tǒng)內(nèi)需充注的防凍液（如乙醇水溶液）多；
③安裝勞動成本增大；
④管路系統(tǒng)不能太長，否則系統(tǒng)阻力損失太大。
2、并聯(lián)方式
優(yōu)點：①由于可用較小管徑的管子，因此成本較串聯(lián)方式低；
②所需防凍液少；
③安裝勞動成本低。
缺點： ①設計安裝中必須特別注意確保管內(nèi)流體流速較高，以充分排出空氣；
②各并聯(lián)管道的長度盡量一致（偏差應≤10%），以保證每個并聯(lián)回路有相同的流量；
③確保每個并聯(lián)回路的進口與出口有相同的壓力，使用較大管徑的管子做集箱，可達到此目的。
從國內(nèi)外工程實踐來看，中、深埋管采用并聯(lián)方式者居多；淺埋管采用串聯(lián)方式的多種。
三、地埋管打孔孔徑
孔徑： 根據(jù)地質(zhì)結構不同，鉆孔孔徑可以是Ф100、Ф150、Ф200或Ф300，天津地區(qū)地表土壤層很厚，為了鉆孔、下管方便多采用Ф300孔徑。
（三）地下埋管系統(tǒng)設計
一．地下?lián)Q熱量計算
地下?lián)Q熱量可以由下述公式計算：
Q1'= Q1*(1+1/COP1) kW （1）
Q2'= Q2*(1-1/COP2) kW （2）
其中Q1'——夏季向土壤排放的熱量，kW
Q1——夏季設計總冷負荷，kW
Q2'——冬季從土壤吸收的熱量，kW
Q2——冬季設計總熱負荷，kW
COP1——設計工況下水源熱泵機組的制冷系數(shù)
COP2——設計工況下水源熱泵機組的供熱系數(shù)
一般地，水源熱泵機組的產(chǎn)品樣本中都給出不同進出水溫度下的制冷量、制熱量以及制冷系數(shù)、供熱系數(shù)，計算時應從樣本中選用設計工況下的 。若樣本中無所需的設計工況，可以采用插值法計算。
二、地下熱交換設計
1.水平埋管：
確定管溝數(shù)目:
埋管管長的估算：利用管材“換熱能力”，即單位埋管管長的換熱量。水平埋管單位管材“換熱能力”在20～40W/m（管長）左右，；設計時可取換熱能力的下限值，即20 W/m。
單溝單管埋管總長具體計算公式如下：L=Q/20
其中L ——埋管總長,m
Q ——冬季從土壤取出的熱量，w
分母“20”是每m 管長冬季從土壤取出的熱量，W/m
單溝雙管、單溝二層雙管、單溝二層四管、單溝二層六管布置時分別乘上0.9、0.85、0.75、0.70 的熱干擾系數(shù)（熱協(xié)調(diào)系數(shù)）。
確定管溝間距：
為了防止埋管間的熱干擾，必須保證埋管之間有一定的間距。該間距的大小與運行狀況（如連續(xù)運行還是間歇運行；間歇運行的開、停機比等）、埋管的布置形式（如單行布置，只有兩邊有熱干擾；多排布置，四面均有熱干擾）等等有關。
建議串聯(lián)每溝1 管，管徑1/4“～2”；串聯(lián)每溝2 管， 1 又1/4“～1 又1/2”。并聯(lián)每溝2 管， 1“～1 又1/4”；并聯(lián)每溝4～6 管，管徑13/4“～1”。
管溝間距：每溝1 管的間距1.2m，每溝2 管的間距1.8m，每溝4 管間距3.6m。管溝內(nèi)最上面管子的管頂?shù)降孛娴牡淖钚「叨炔恍∮?.2m。
2、豎直埋管
確定豎井埋管管長
一般垂直單U 形管埋管的換熱能力為60～80 W/m(井深)，垂直雙U 形管為80～100W/m(井深)左右，設計時可取換熱能力的下限值。
一般垂直埋管為70～110W/m(井深)，或35～55W/m(管長)，水平埋管為20～40W/m（管長）左右。
設計時可取換熱能力的下限值，即35W/m（管長），雙U管設計具體計算公式如下：
L=Q1/25 （3）
其中 L——豎井埋管總長，m
Q1——夏季向土壤排放的熱量，W
分母“35”是夏季每m管長散熱量，W/m
確定豎井數(shù)目及間距
國外，豎井深度多數(shù)采用50～100m，設計者可以在此范圍內(nèi)選擇一個豎井深度H，代入下式計算豎井數(shù)目:
N=L/(4*H) （4）
其中 N——豎井總數(shù)，個
L——豎井埋管總長，m
H——豎井深度，m
分母“2”是考慮到豎井內(nèi)埋管管長約等于豎井深度的2倍。
然后對計算結果進行圓整，若計算結果偏大，可以增加豎井深度，但不能太深，否則鉆孔和安裝成本大大增加。
關于豎井間距有資料指出：U型管豎井的水平間距一般為4.5m，也有實例中提到DN25的U型管，其豎井水平間距為6m，而DN20的U型管，其豎井水平間距為3m。若采用串聯(lián)連接方式，可采用三角形布置來節(jié)約占地面積。
工程較小，埋管單排布置，地源熱泵間歇運行，埋管間距可取3.0m；工程較大，埋管多排布置，地源熱泵間歇運行，建議取間距4.5m；若連續(xù)運行（或停機時間較少）建議取5～6m
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